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Avaliação de parâmetros de desempenho de três modelos de biorreatores pneumáticos de bancada

By Sérgio Scherrer Thomasi

Abstract

Biorreatores pneumáticos têm se destacado no campo da biotecnologia devido suas muitas vantagens funcionais, mostrando-se mais promissores do que o modelo convencional tipo tanque agitado e aerado. Parâmetros como retenção gasosa global (G), coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa) e velocidade de cisalhamento média (Уm ) devem ser analisados como critérios de desempenho desses modelos de biorreatores, para o melhor entendimento da hidrodinâmica dos mesmos. Entretanto, não existem estudos na literatura que comparem biorreatores pneumáticos em termos de condições de cisalhamento. Dessa forma, o objetivo principal deste estudo foi aplicar uma metodologia recente para quantificar e comparar a velocidade de cisalhamento média (Уm ) em três biorreatores pneumáticos: coluna de bolhas, airlift tipo split-cylinder e airlift de cilindros concêntricos. O coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa) foi escolhido como parâmetro característico para determinar . Correlações de em função da velocidade superficial do gás na região de subida (Ugs) e das propriedades reológicas do fluido (índice de consistência, K, e índice de comportamento de escoamento, n) foram obtidas para cada modelo de biorreator pneumático estudado. Além disso, foram obtidas correlações entre G, Ugs e viscosidade (μ) para fluidos Newtonianos e viscosidade aparente (μap) para fluidos não-Newtonianos. De forma geral, a retenção gasosa global (G) foi maior em fluidos não-Newtonianos. Os valores Уm de estimados pela metodologia proposta estão dentro de uma faixa média de valores calculados por correlações clássicas. As correlações propostas foram utilizadas para predizer Уm durante cultivos de Streptomyces clavuligerus realizadas sob a mesma vazão específica de ar (3,5 vvm) nos três diferentes tipos de biorreatores pneumáticos. Os menores valores Уm de , relacionados aos maiores valores de índice de consistência (K), foram encontrados para o biorreator coluna de bolhas, e o maiores valores de Уm, relacionados aos menores valores de K, foram encontrados para o biorreator airlift de cilindros concêntricos. Valores intermediários foram encontrados para o biorreator airlift tipo split-cylinder. Os resultados mostraram que altos valores de Уm afetam a saúde estrutural dos micélios, devido à ruptura das hifas vegetativas.Due to the large number of functional advantages, pneumatic bioreactors have drawn attention in the biotechnology field, being more promising than stirred and aerated tank bioreactors. Parameters such as global gas hold-up (G), volumetric oxygen transfer coefficient (kLa) and average shear rate (Ym) must be considered as performance criteria of these types of bioreactors to provide a better understanding of their hydrodynamics. However, there are no works in literature which compare the performance of bioreactors in terms of shear conditions. Therefore, the aim of the present work was to apply a method proposed in recent literature to evaluate the average shear rate (Ym) in three pneumatic bioreactors of 5-dm3 working volume: bubble column, split airlift and concentric-tube airlift. The volumetric oxygen transfer coefficient (kLa) was chosen as the appropriate characteristic parameter to assess the average shear rate (Ym) in this methodology. Correlations for as a function of superficial gas velocity in the riser region (Ugs) and rheological fluid properties (consistency index, K, and flow index, n) were obtained for each model of pneumatic bioreactor studied. Moreover, correlations between G, Ugs and viscosity (μ) (for Newtonian fluids) and apparent viscosity (μap) (for non-Newtonian fluids) were performed. In general, global gas hold-up (G) was higher for non-Newtonian fluids. The Ym values estimated by the proposed methodology lay within the range of values calculated by classical correlations. The proposed correlations were utilized to predict the Ym during three Streptomyces clavuligerus cultivations carried out at the same specific air flow rate (3.5 vvm) in the different types of pneumatic bioreactors. The lowest values of related to the highest values of Ym consistency index (K) were found for the bubble column bioreactor, and the highest values of related to the lowest values of K were found for the concentric-tube airlift bioreactor. Intermediate values were found for the split airlift bioreactor. The results showed that high Ym values affect the structural health of the mycelia by rupture of the hipha

Topics: Bioreatores, Cisalhamento, Streptomyces clavuligerus, ENGENHARIA QUIMICA, ENGENHARIA QUIMICA
Publisher: Universidade Federal de São Carlos
Year: 2010
OAI identifier: oai:agregador.ibict.br.BDTD_UFSCAR:oai:ufscar.br:3048
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